CN219573330U - 一种分块式轮胎-路面三向力测量传感装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种分块式轮胎‑路面三向力测量传感装置，其包括：配重钢板和安装在配重钢板上的传感器阵列，传感器阵列包括多个独立传感器；其中，每个独立传感器均包括：由方形受力板和四个支柱一体成型的弹性基体、以及多个设置在弹性体基体上的电阻应变片，多个电阻应变片划分为八组；电阻应变片组一、电阻应变片组二、电阻应变片组三和电阻应变片组四呈十字型设置在方形受力板的底面上，电阻应变片组五、电阻应变片组六、电阻应变片组七和电阻应变片组八均呈田字型分别设置在方形受力板的四个侧面上，且电阻应变片组五所在的侧面和电阻应变片组七所在的侧面相对，电阻应变片组六所在的侧面和电阻应变片组八所在的侧面相对。

Description

一种分块式轮胎-路面三向力测量传感装置

技术领域

本实用新型涉及传感器测量技术领域，尤其涉及一种分块式轮胎-路面三向力测量传感装置。

背景技术

轮胎-路面三向力(以下简称胎路三向力)是指轮胎与路面相互作用所产生的车辆运动方向力(F_x)、轮胎侧向力(F_y)以及垂向力(F_z)，它们不仅是研究沥青路面早期损伤行为产生机理，改进沥青路面结构设计，减少桥面铺装层维护成本的重要参数，同时也是研究汽车整车动力学特性和橡胶轮胎性能的关键指标。

目前，研究路面动力学的人员一般采用半正弦曲线加载的等效载荷代替车辆加载，或者用多自由度弹簧-阻尼-质量微分方程表示车辆模型，通过求解微分方程得到路面响应。然而，上述方法得到的胎路三向力与实际轮胎-路面相互作用产生的胎路三向力存在一定的差距，尤其是轮胎与路面接触面不同区域受力大小存在差异的特性无法体现。

另外，还有部分研究人员通过敏感胶片得到轮胎-路面相互作用力。敏感胶片利用压力敏感胶片在不同压力作用下的颜色深度不同，通过标定不同颜色深度与压力的关系曲线，将压力敏感胶片上的颜色深度分布转换为压力分布。但是，其无法实现胎路三向力的解耦，只能得到轮胎-路面相互作用力以合力的形式。由于维间耦合的影响敏感胶片法的测量精度有限，即在测量X、Y和Z方向三个相互垂直的分力过程中，任何一个方向上分力的测量结果，不仅会包含该方向分力作用下产生的测量信号，同时也会包含另外两个方向分力产生的与该方向无关的测量信号，因此不适用于获得胎路三向力。

现有技术中，也有研究人员使用胎路三向力传感器获取胎路三向力，然而现有的胎路三向力传感器将不同接触区域的胎路三向力看作大小相等，而实际上，胎路三向力在胎路接触区域不同位置大小存在略微差异，例如轮胎肩部受到的垂向力和侧向力要比轮胎中部大,轮胎受到的与车辆运动方向平行的纵向力呈现前拉后压的趋势。因此，现有胎路三向力传感器得到的结果准确性低，无法准确描述轮胎与路面之间复杂的接触关系，对于沥青路面细观力学的研究仿真误差较大。

综上，亟需提供一种性能可靠、线性度高、量程大并且可以实现维间解耦的胎路三向力传感装置。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种分块式轮胎-路面三向力测量传感装置。

为解决上述问题，本实用新型所采取的技术方案是：

一种分块式轮胎-路面三向力测量传感装置，其包括：配重钢板和安装在所述配重钢板上的传感器阵列，所述传感器阵列包括多个独立传感器；

其中，每个所述独立传感器均包括：由方形受力板和四个支柱一体成型的弹性基体、以及多个设置在所述弹性体基体上的电阻应变片，多个电阻应变片划分为八组；

电阻应变片组一、电阻应变片组二、电阻应变片组三和电阻应变片组四呈十字型设置在所述方形受力板的底面上，电阻应变片组五、电阻应变片组六、电阻应变片组七和电阻应变片组八均呈田字型分别设置在所述方形受力板的四个侧面上，且电阻应变片组五所在的侧面和电阻应变片组七所在的侧面相对，电阻应变片组六所在的侧面和电阻应变片组八所在的侧面相对。

作为实用新型的一种实施方式，所述电阻应变片组一、电阻应变片组二、电阻应变片组三和电阻应变片组四均包括两个电阻应变片；

所述电阻应变片组五、电阻应变片组六、电阻应变片组七和电阻应变片组八均包括四个电阻应变片。

作为实用新型的一种实施方式，所述电阻应变片组五、电阻应变片组六、电阻应变片组七和电阻应变片组八均设置为上下两层，每个侧面的同层的两个电阻应变片保持在同一高度，且每个侧面上下两层之间的间距相等。

作为实用新型的一种实施方式，设置在所述方形受力板底面上的每个电阻应变片的栅丝走向均朝向十字分布的中心。

作为实用新型的一种实施方式，设置在所述受力板侧面上的每个电阻应变片的栅丝走向均朝向对应电阻应变片组田字分布的中心。

作为实用新型的一种实施方式，多个所述独立传感器呈矩阵排布形成所述传感器阵列。

作为实用新型的一种实施方式，其还包括:测量电路和信号处理器，其中，所述测量电路与所有电阻应变片连接，所述信号处理器与所述测量电路连接；

所述测量电路用于将每个电阻应变片发送的应变信号以模拟电压信号的形式经放大、滤波、数字转换后输出至信号处理器；

所述信号处理器用于在接受到所有应变的电压信号时，与通过标定实验得到的每个独立传感器的线性增益系数进行数学运算，以实现对胎路三向力的测量。

作为实用新型的一种实施方式，每个所述独立传感器均通过设置在四个支柱下面的螺纹孔与所述配重钢板连接。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本实用新型实施例提供的分块式轮胎-路面三向力测量传感装置，独立传感器结构简单，体积小，加工方便，避免了多零件组装生产的装配应力、装配误差以及连接间隙误差；可根据实际需要安装在配重钢板上以形成预设尺寸的传感器阵列，能够实现对不同宽度或轴向多个的汽车轮胎三向力动态测量；通过在每个独立传感器上设置八组应变片，引入相同受力方向上的对侧电阻应变片，利用惠斯通电桥平衡掉测量方向外其余两个方向受力导致的电压变化，将F_X、F_y和F_z三个方向中的两个方向上的形变引入到对向桥臂中，因此具有出色的三维解耦能力，解决了传感装置上胎路不同接触区域的三向力解耦问题。

本实用新型将该独立传感器设置多个，当汽车轮胎压上方形受力板的上表面时，可根据每个独立传感器上安装的八组电阻应变片的应变值、以及通过标定实验得到的每个独立传感器的线性增益系数进行数学运算即可得到汽车轮胎的胎路三向力。

该三向力测量传感器相较于现有的轮胎-路面三向力传感器，其维间耦合小、测量精度高、量程大，可以满足汽车轮胎的胎路三向力独立测量。

附图说明

图1是本实用新型提供的一种分块式轮胎-路面三向力测量传感装置的结构示意图。

图2是本实用新型提供的一种弹性基体的结构示意图。

图3是本实用新型提供的另一种弹性基体的结构示意图

图4是本实用新型提供的一种弹性基体的剖面图。

图5～图9是本实用新型提供的电阻应变片的安装示意图。

图10是本实用新型提供的测量Z方向分力的电桥。

图11是本实用新型提供的测量Y方向分力的电桥。

图12是本实用新型提供的测量X方向分力的电桥。

图13是本实用新型提供的工作原理示意图。

其中：1配重钢板，2传感器阵列，201传感器组，202独立传感器，202-1弹性基体，202-2方形受力板，202-3支柱，202-4螺纹孔，202-5电阻应变片，202-5-1电阻应变片组一，202-5-2电阻应变片组二，202-5-3电阻应变片组三，202-5-4电阻应变片组四，202-5-5电阻应变片组五，202-5-6电阻应变片组六，202-5-7电阻应变片组七，202-5-8电阻应变片组八。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对实用新型进行清楚、完整的描述。

本实用新型实施例提供了一种分块式轮胎-路面三向力测量传感装置，如图1所示，其包括:配重钢板1和安装在所述配重钢板1上的传感器阵列2，所述传感器阵列2包括多个独立传感器；传感器阵列2可呈矩形分布，具体可如图1所示，传感器阵列2包括若干沿所述底板的长边均布设置的传感器组201；每个所述传感器组201均包括若干沿所述底板的宽边均布设置的独立传感器202。

关于每个所述独立传感器202的结构，如图1-图4所示，每个所述独立传感器202均包括：由方形受力板202-2和四个支柱202-3一体成型的弹性基体202-1、以及多个设置在所述弹性体基体202-1上的电阻应变片202-5，多个电阻应变片202-5划分为八组；其中，弹性基体202-1可由钢材经切割、刨铣而成，每个所述独立传感器202均通过设置在四个支柱202-3下面的螺纹孔202-4与所述配重钢板1连接。

其中，如图5所示，电阻应变片组一202-5-1、电阻应变片组二202-5-2、电阻应变片组三202-5-3和电阻应变片组四202-5-4呈十字型设置在所述方形受力板202-2的底面上，如图6-图9所示，电阻应变片组五202-5-5、电阻应变片组六202-5-6、电阻应变片组七202-5-7和电阻应变片组八202-5-8均呈田字型分别设置在所述方形受力板202-2的四个侧面上，且电阻应变片组五202-5-5所在的侧面和电阻应变片组七202-5-7所在的侧面相对(即，相互平行)，电阻应变片组六202-5-6所在的侧面和电阻应变片组八202-5-8所在的侧面相对。

电阻应变片组一202-5-1、电阻应变片组二202-5-2、电阻应变片组三202-5-3和电阻应变片组四202-5-4连接构成测量垂向力F_z方向的惠斯通电桥；电阻应变片组五202-5-5、电阻应变片组六202-5-6连接构成测量车辆运动方向力F_X方向的惠斯通电桥；电阻应变片组七202-5-7、电阻应变片组八202-5-8连接构成测量轮胎侧向力F_y方向的惠斯通电桥。每组电桥通过将轮胎压力引起的对侧形变引入，实现不同接触区域的三向力维间解耦。

本实用新型实施例提供的分块式轮胎-路面三向力测量传感装置适用于需要测量胎路三向力的情景。在测量时，如图13所示，胎路三向力作用于方形受力板202-2的上表面时，弹性材料构成的方形受力板202-2会产生微小的形变，该微小形变会被粘贴在方形受力板202-2五个面上的电阻应变片202-5所捕获，通过引起电阻应变片202-5内部栅丝的变形，将微小形变转换为应变片的阻值变化，进而惠斯通电桥中桥臂阻值发生变化，电桥失去平衡。惠斯通电桥产生与轮胎压力大小对应的电信号，从而能够基于该电信号实现胎路三向力的测量。

本实用新型实施例提供的分块式轮胎-路面三向力测量传感装置，独立传感器202结构简单，体积小，加工方便，避免了多零件组装生产的装配应力、装配误差以及连接间隙误差；可根据实际需要安装在配重钢板1上以形成预设尺寸的传感器阵列2，能够实现对不同宽度或轴向多个的汽车轮胎三向力动态测量。

针对每个独立传感器202而言，通过将八组电阻应变片设置在弹性体基体的不同位置，通过八组电阻应变片即可实现不同接触区域的三向力维间解耦，将F_X、F_y和F_z三个方向中的两个方向上的形变引入到对向桥臂中，因此具有出色的三维解耦能力；本实用新型将该独立传感器设置多个，当汽车轮胎压上方形受力板的上表面时，可根据每个独立传感器上安装的八组电阻应变片的应变值、以及通过标定实验得到的每个独立传感器的线性增益系数进行数学运算即可得到汽车轮胎的胎路三向力。

该三向力测量传感器相较于现有的轮胎-路面三向力传感器，其维间耦合小、测量精度高、量程大，可以满足汽车轮胎三向力的独立测量。

进一步地，该三向力测量传感器还包括：测量电路和信号处理器，其中，所述测量电路与所有电阻应变片202-5连接，所述信号处理器与所述测量电路连接；

所述测量电路用于将每个电阻应变片202-5发送的应变信号以模拟电压信号的形式经放大、滤波、数字转换后输出至信号处理器；所述信号处理器用于在接受到所有应变的电压信号时，与通过标定实验得到的每个独立传感器的线性增益系数k_xi、k_yi、k_zi进行数学运算，以实现对胎路三向力的测量。

具体地，前述根据每个独立传感器上安装的八组电阻应变片的应变值来得到汽车轮胎三向力的方式为本领域技术人员可基于常识所能容易想到的，在一种可能的实现方式中，可参考如申请号为2019105042145的中国发明专利所公开的方法。

由于轮胎-路面相互作用力实际上是以合力的形式作用在路面上，该合力为轮胎-路面三向力的矢量和。因此，可采用下述方式来根据每个独立传感器上安装的八组电阻应变片的应变值来得到汽车轮胎的胎路三向力。

首先，以所有方形受力板202-2上表面的几何中心为原点建立O-XYZ笛卡尔坐标系，通过标定实验可以获得每个独立传感器在X、Y和Z三个方向上惠斯通电桥输出电压值与标定压力值之间的线性增益系数k_x、k_y、k_z。

其次，调整测量电路设置触发条件，当汽车轮胎压上方形受力板的上表面时，通过每个独立传感器上安装的八组电阻应变片的应变值得到每个独立传感器第一电桥的电压值U1、第二电桥的电压值U2和第三电桥的电压值U3(获取方式参见后续说明)。每个独立传感器三组电桥的输出电压写为向量形式，即u_n＝[U1,U2,U3],n表示第n个独立传感器。轮胎-路面三向力测量传感装置所受的车辆运动方向力F_x、轮胎侧向力F_y和垂向力F_z与电压值U存在如下向量关系。

由此，通过每个独立传感器的线性增益系数k_xi、k_yi、k_zi，以及每个独立传感器的三个输出电压值得到汽车轮胎的胎路三向力。

具体地，针对任一一个独立传感器，其通过标定实验得到线性增益系数k_xi、k_yi、k_zi的具体步骤如下：

首先，确定轮胎垂向力F_z与由四组电阻应变片构成的第一电桥电压值U1的线性关系，计算出线性增益系数k_z。具体做法为，在弹性基体202-1的弹性敏感部件方形受力板202-2的线弹性范围内，在方形受力板202-2的测量面上施加轮胎垂向力F_z方向的压力F_pz，压力值以3Kn为间隔从3Kn增大至30Kn。利用测量电路和信号处理器得到10组第一电桥的电压值U_Z，通过最小二乘法计算出压力值F_pz与10组第一电桥的电压值U_zi(i＝1,2，..，10)之间对应的增益系数k_zi的值，其中增益系数k_zi、压力值F_pz和电压值U_zi存在如下关系。

再确定轮胎侧向力F_y与由两组电阻应变片构成的第二电桥电压值U2的线性关系，计算出线性增益系数k_yi。具体做法与上述确定增益系数k_zi步骤的相同，在方形受力板202-2的测量面上施加轮胎侧向力F_y方向的压力F_py，利用测量电路和信号处理器得到10组第二电桥的电压值U_y，通过最小二乘法计算出压力值F_py与10组第二电桥的电压值U_yi(i＝1,2，..，10)之间对应的增益系数k_yi的值，其中增益系数k_yi、压力值F_py和电压值U_yi存在如下关系。

最后确定车辆运动方向力F_x与由两组电阻应变片构成的第三电桥电压值U3的线性关系，计算出线性增益系数k_xi。具体做法与上述确定增益系数k_zi步骤的相同，在方形受力板202-2的测量面上施加车辆运动方向力F_x方向的压力F_px，利用测量电路和信号处理器得到10组第二电桥的电压值U_X，通过最小二乘法计算出10组压力值F_pxi(i＝1,2，..，10)与10组第三电桥的电压值U_xi(i＝1,2，..，10)之间对应的增益系数k_Xi的值，其中增益系数k_xi、压力值F_pxi和电压值U_xi存在如下关系。

本实用新型中，每个电阻应变片组的数量可根据实际要求确定，如图5所示，所述电阻应变片组一202-5-1、电阻应变片组二202-5-2、电阻应变片组三202-5-3和电阻应变片组四202-5-4均包括两个电阻应变片202-5；

如图6-图9所示，所述电阻应变片组五202-5-5、电阻应变片组六202-5-6、电阻应变片组七202-5-7和电阻应变片组八202-5-8均包括四个电阻应变片202-5。

以下，本申请将各个电阻应变片202-5依次进行标号结合图5-图9进行进一步说明，本申请电阻应变片202-5共设置24个R1～R24，如图5所示，电阻应变片组一202-5-1(R1、R5)、电阻应变片组二202-5-2(R3、R7)、电阻应变片组三202-5-3(R2、R6)和电阻应变片组四202-5-4(R4、R8)的8个电阻应变片202-5分别设置在四个不同的方向，以呈十字型设置在所述方形受力板202-2的底面上。且R1～R8的每个电阻应变片202-5的栅丝走向均朝向十字分布的中心。

而如图6-图9所示，电阻应变片组五202-5-5(R9～R12)、电阻应变片组六202-5-6(R13～R16)、电阻应变片组七202-5-7(R17～R20)和电阻应变片组八202-5-8(R21～R24)均呈田字型分别设置在所述方形受力板202-2的四个侧面上。R9～R24每个电阻应变片202-5的栅丝走向均朝向对应电阻应变片202-5组田字分布的中心，另外，每个电阻应变片组均设置为上下两层(即，每层两个电阻应变片)，每个侧面的同层的两个电阻应变片202-5保持在同一高度，且每个侧面上下两层之间的间距相等。

以下为独立传感器202基于前述R1～R24进行胎路三向力测量的电路原理。

当方形受力板的上表面受到胎路三向力的载荷作用后，应变片阻值发生变化，由于应变片在弹性体上承中心对称和轴对称，在受到轮胎压力作用后可以得到下述结论。

在测量垂向力F_z时：如图10所示，车辆运动方向力F_X引起的形变有如下关系，R1＝R5，R2＝R6，R3＝R4，R7＝R8；轮胎侧向力F_y引起的形变有如下关系，R4＝R8，R3＝R7，R5＝R6，R1＝R2。所以第一电桥电压U1对应垂向力F_z单独作用下弹性基体的垂向形变。通过与标定试验对比，第一电桥电压U1可以计算出轮胎垂向力F_z的大小。

第一电桥中，电桥的输入电源E与U1的关系如下：

在测量轮胎侧向力F_y时：如图11所示，车辆运动方向力F_X引起的形变有如下关系，R9＝R11，R10＝R12，R18＝R20，R17＝R19；轮胎垂向力F_z引起的形变有如下关系，R9＝R10，R11＝R12，R17＝R18，R19＝R20。所以第二电桥电压U2对应轮胎侧向力F_y单独作用下弹性基体的侧向形变。通过与标定试验对比，第二电桥电压U2可以计算出轮胎侧向力F_y的大小。

第二电桥中，E与U2的关系如下：

在测量车辆运动方向力F_X时：如图13所示，轮胎侧向力F_y引起的形变有如下关系，R13＝R15，R14＝R16，R21＝R23，R22＝R24；轮胎垂向力F_z引起的形变有如下关系，R13＝R14，R15＝R16，R21＝R22，R23＝R24。所以第三电桥电压U3对应车辆运动方向力F_X单独作用下弹性基体的纵向形变。通过与标定试验对比，第三电桥电压U3可以计算出车辆运动方向力F_X的大小。

第三电桥中，E与U3的关系如下：

Claims (8)

1.一种分块式轮胎-路面三向力测量传感装置，其特征在于，其包括：配重钢板和安装在所述配重钢板上的传感器阵列，所述传感器阵列包括多个独立传感器；

其中，每个所述独立传感器均包括：由方形受力板和四个支柱一体成型的弹性基体、以及多个设置在所述弹性基体上的电阻应变片，多个电阻应变片划分为八组；

电阻应变片组一、电阻应变片组二、电阻应变片组三和电阻应变片组四呈十字型设置在所述方形受力板的底面上，电阻应变片组五、电阻应变片组六、电阻应变片组七和电阻应变片组八均呈田字型分别设置在所述方形受力板的四个侧面上，且电阻应变片组五所在的侧面和电阻应变片组七所在的侧面相对，电阻应变片组六所在的侧面和电阻应变片组八所在的侧面相对。

2.根据权利要求1所述的一种分块式轮胎-路面三向力测量传感装置，其特征在于，所述电阻应变片组一、电阻应变片组二、电阻应变片组三和电阻应变片组四均包括两个电阻应变片；

所述电阻应变片组五、电阻应变片组六、电阻应变片组七和电阻应变片组八均包括四个电阻应变片。

3.根据权利要求2所述的一种分块式轮胎-路面三向力测量传感装置，其特征在于，所述电阻应变片组五、电阻应变片组六、电阻应变片组七和电阻应变片组八均设置为上下两层，每个侧面的同层的两个电阻应变片保持在同一高度，且每个侧面上下两层之间的间距相等。

4.根据权利要求1所述的一种分块式轮胎-路面三向力测量传感装置，其特征在于，设置在所述方形受力板底面上的每个电阻应变片的栅丝走向均朝向十字分布的中心。

5.根据权利要求1所述的一种分块式轮胎-路面三向力测量传感装置，其特征在于，设置在所述受力板侧面上的每个电阻应变片的栅丝走向均朝向对应电阻应变片组田字分布的中心。

6.根据权利要求1所述的一种分块式轮胎-路面三向力测量传感装置，其特征在于，多个所述独立传感器呈矩阵排布形成所述传感器阵列。

7.根据权利要求1所述的一种分块式轮胎-路面三向力测量传感装置，其特征在于，其还包括:测量电路和信号处理器，其中，所述测量电路与所有电阻应变片连接，所述信号处理器与所述测量电路连接；

所述测量电路用于将每个电阻应变片发送的应变信号以模拟电压信号的形式经放大、滤波、数字转换后输出至信号处理器；

所述信号处理器用于在接受到所有应变电压信号时，与通过标定实验得到的每个独立传感器的线性增益系数进行数学运算，以实现对胎路三向力的测量。

8.根据权利要求1所述的一种分块式轮胎-路面三向力测量传感装置，其特征在于，每个所述独立传感器均通过设置在四个支柱下面的螺纹孔与所述配重钢板连接。